MIDAS-GTS在隧道和地鐵工程中的應(yīng)用

1、http:/www.MidasU,GTS在隧道及地鐵工程中的應(yīng)用,崔藝斌 廣州市建筑科學(xué)研究院 2008年9月23日,We Analyze and Design the Future,http:/www.MidasU,http:/www.MidasU,報 告 內(nèi) 容,隧道及地鐵工程中的常遇問題 利用GTS的解決方案（應(yīng)用） (1) 隧道工程施工方法選擇. (2) 隧道工程與其他工程的相互作用分析. 三. 隧道工程中若干局部細(xì)節(jié)計算的考慮方法.（局部）,一、隧道及地鐵工程中的常遇問題,http:/www.MidasU,1 施工工況的優(yōu)化和選擇（針對隧道本身） 工程經(jīng)驗不足 隧道洞口偏壓 雙/三聯(lián)

2、拱隧道 大斷面 淺埋暗挖隧道 小凈距隧道（主）考慮掘進(jìn)長度的三維分析等 （結(jié)合蘇州鳳凰山雙聯(lián)拱隧道工程） 2 隧道及地下工程開挖對已有建筑設(shè)施的影響 （結(jié)合深圳地鐵5號線某樁基托換工程） 3 新建地下工程對已建地下工程的影響評價 （結(jié)合廣佛地鐵二、八線沙園地鐵車站及曲線盾構(gòu)隧道相鄰 建筑深基坑開挖工程）,二、利用GTS的解決方案（應(yīng)用）,1 施工工況的優(yōu)化和選擇（針對隧道本身） （結(jié)合鳳凰山雙聯(lián)拱隧道工程）,蘇州鳳凰山隧道工程位于蘇州市吳中區(qū)木瀆鎮(zhèn)境內(nèi)，屬寶帶西路延伸段改建工程的一部分,穿越七子山西北側(cè)鳳凰公墓區(qū)，隧址區(qū)為一小山體。蘇州鳳凰山隧道工程分一期和二期工程進(jìn)行建設(shè)。鳳凰山隧道一期工程

3、為一座連拱隧道。 鳳凰山隧道一期工程連拱隧道全長175m，起訖樁號分別為K1+985和K2+160,其中明暗洞分界樁號為K2+001及K2+144，暗洞段長143m，屬短隧道。隧道最大埋深23m，埋深小于10m的暗洞長度占整個暗洞的比例約為34，屬典型淺埋隧道。根據(jù)地質(zhì)報告，隧址區(qū)地質(zhì)條件較差，基本為級圍巖，隧道最大開挖跨度32.2m，屬軟弱圍巖大跨隧道。因此，鳳凰山連拱隧道屬軟弱圍巖中淺埋大跨隧道，施工具有較大難度。,（1）基于荷載-結(jié)構(gòu)法的隧道結(jié)構(gòu)靜力計算分析,圖1-1 二次襯砌的側(cè)向變形圖,圖1-2 二次襯砌的豎向變形圖,圖1-3 二次襯砌軸力圖,圖1-4 二次襯砌彎矩圖,（2）基于地層

4、-結(jié)構(gòu)法的隧道結(jié)構(gòu)靜力計算分析,鳳凰山連拱隧道毛洞跨度達(dá)到32.2m，且存在一定的偏壓現(xiàn)象，以前類似的工程較少，可以借鑒的經(jīng)驗不多，給設(shè)計帶來了較大的困難，因此應(yīng)對其進(jìn)行相關(guān)計算，對設(shè)計進(jìn)行校核。,圖2-1 聯(lián)拱隧道整體模型,圖2-2 聯(lián)拱隧道局部模型,圖2-3 中導(dǎo)洞開挖后的地層豎向位移圖,圖2-4 左洞開挖后的地層豎向位移圖,圖2-5 右洞開挖后的地層豎向位移圖,圖2-8 中隔墻最大壓應(yīng)力圖,圖2-6 圍巖塑性拉應(yīng)力區(qū)圖,圖2-9 中隔墻最大拉應(yīng)力圖,圖2-7 圍巖塑性壓應(yīng)力區(qū)圖,圖2-10 導(dǎo)洞法開挖臨時支護(hù)和初支部分內(nèi)力圖,圖2-12 二次支護(hù)組合應(yīng)力圖,圖2-11 二次支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力與

5、彎矩圖,小結(jié)： 在地下工程缺乏相應(yīng)工程經(jīng)驗或者需要進(jìn)行方案選擇的時候，利用數(shù)值計算軟件，可以對工程有初步和定性的認(rèn)識，為工程設(shè)計提供重要參考。,2 隧道及地下工程開挖對已有建筑設(shè)施的影響 （結(jié)合深圳地鐵5號線某樁基托換工程）,說明： 1，該工程為國內(nèi)鐵道第三設(shè)計院與韓國某工程咨詢合作，利用GTS所做的一個深圳地鐵5號線的樁基托換工程。 2，計算主要考慮兩點： （1）由于盾構(gòu)隧道穿過樁基礎(chǔ)，因此需要對原樁基礎(chǔ)進(jìn)行托換，考察托換后對原有上部結(jié)構(gòu)的影響。 （2）在托換以后地鐵盾構(gòu)將穿越樁基，計算模擬地鐵掘進(jìn)穿越樁基整個過程中，樁基所受到的側(cè)向土壓力的影響以及由此造成的上部結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。,3 新建地下工

6、程對已建地下工程的影響評價 （結(jié)合廣佛地鐵二、八線沙園地鐵車站及曲線盾構(gòu)隧道相鄰建筑深 基坑開挖工程）,本工程地塊位于廣州市海珠區(qū)工業(yè)大道北十一橡膠廠內(nèi)。地下室形狀為一不規(guī)則多邊形，東側(cè)是工業(yè)大道，其規(guī)劃道路紅線為40米；場地東南側(cè)臨近已完成主體結(jié)構(gòu)施工的沙園地鐵站，東北側(cè)臨近廣佛線地鐵隧道。南側(cè)是榕景路，其規(guī)劃道路紅線為26米；西側(cè)與26米規(guī)劃路相接；北側(cè)與規(guī)劃路相接。 該工程基坑部分及地鐵風(fēng)亭部分由廣州市建筑科學(xué)研究院設(shè)計，期間考慮到對地鐵的保護(hù)，需要對基坑開挖對地鐵及附屬結(jié)構(gòu)所造成的影響做出整體評價，因此對該工程進(jìn)行了整體數(shù)值計算，并結(jié)合大量工程實際經(jīng)驗作出合理設(shè)計。 工程現(xiàn)狀：目前地鐵

7、車站已經(jīng)施工完成，由于盾構(gòu)隧道的工期與基坑工期先后不能確定，因此計算一并考慮了盾構(gòu)隧道。,工程總體平面圖,工期,工程所有結(jié)構(gòu)位置關(guān)系圖,新建基坑與地鐵盾構(gòu)隧道、地鐵車站的數(shù)值計算部分,整體模型網(wǎng)格,計算目的： 由于基坑在車站及盾構(gòu)隧道左側(cè)開挖造成重大卸載，因此需要由此對地鐵設(shè)施所造成的影響： （1）地鐵車站與盾構(gòu)隧道連接處與基坑挖通，卸載最大，應(yīng)充分考慮車站右側(cè)土壓力對現(xiàn)有車站結(jié)構(gòu)的不利影響a （2）曲線盾構(gòu)隧道段沿基坑?xùn)|南側(cè)整體卸載，土體回彈將使盾構(gòu)隧道向基坑側(cè)移動，需要對其影響進(jìn)行整體評價。 （3）考慮到盾構(gòu)井距離基坑很近，因此需要考慮對盾構(gòu)井的影響,圖3-1 整體X方向位移圖,圖3-2

8、整體Y向位移圖,圖3-3 整體Z向位移圖,圖3-4 結(jié)構(gòu)單元內(nèi)力圖,計 算 結(jié) 果,車站右側(cè)水平位移,車站左側(cè)水平位移,結(jié)論1： 通過整體數(shù)值計算分析，地鐵車站在一側(cè)重大卸載的情況下，開挖近側(cè)發(fā)生向基坑側(cè)的位移，即車站與隧道連接處整體向基坑側(cè)移動，車站尾部（遠(yuǎn)離基坑側(cè)向遠(yuǎn)離基坑移動），根據(jù)經(jīng)驗和以往學(xué)術(shù)論文，在此位移下基坑開挖對車站影響較小。,結(jié)論2： 由于曲線盾構(gòu)隧道沿著基坑布置，因此基坑開挖對隧道影響較大，且隧道襯砌（板單元）表面應(yīng)力較大，內(nèi)力也較大，考慮到安全性設(shè)計中采用在隧道部分留土保護(hù)。,結(jié)論3： 考慮到盾構(gòu)井較小，且支護(hù)剛度較大，經(jīng)計算位移較小，基坑開挖對其影響不大，但考慮到盾構(gòu)井

9、與隧道連接處屬于應(yīng)力集中部位，因此在也做留土處理。,三、隧道及地鐵工程中細(xì)部計算模擬的幾點方法 （研究 高校） 1，公路隧道初支與二次支護(hù)作用模擬 2，盾構(gòu)隧道管片連接,1，公路鐵路隧道中關(guān)于初支和二次支護(hù)的模擬 主要有以下幾種方法： （1）考察支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀況；通常采用平面應(yīng)變（或者實體單元）來模擬初支和二次支護(hù)，可以得到準(zhǔn)確的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果。 （2）考察支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力用于配筋計算； 通常采用梁單元來模擬二次支護(hù)，初支可以采用梁單元，也可以采用平面應(yīng)變單元，但多采用平面應(yīng)變單元。,1，公路鐵路隧道中關(guān)于初支和二次支護(hù)的模擬 初支和二次支護(hù)的連接方法： （3）目前尚不能合理的模擬初支與二次支護(hù)

10、之間的預(yù)留變形縫，在建立模型的時候一般不考慮。 （4）如果采用荷載結(jié)構(gòu)法研究初支和二次支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的作用，可以采用僅受壓彈簧來模擬（該方法目前只能用于一次計算中） （5）如果采用實體單元來模擬初支和二次支護(hù)，可以采用設(shè)置接觸單元的方法來模擬初支和二次支護(hù)之間的作用，對接觸單元的參數(shù)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和選擇。,2，地鐵隧道中，盾構(gòu)管片之間的連接 （1）管片與管片之間采用鉸連接，管片與管片縱向之間不考慮。 （釋放掉管片與管片連接處的轉(zhuǎn)動自由度） （2）管片與管片之間采用弱化單元連接。 （考慮管片與管片之間的彎矩傳遞） （3）管片與管片之間采用彈簧連接。,結(jié) 論,一、 隨著城市地下工程的迅速發(fā)展，以往完全依靠經(jīng)驗來進(jìn)行地下工程設(shè)計并不能完全滿足實際需要，特別是地下工程之間的相互影響評價，如：交叉盾構(gòu)隧道，交疊隧道，相鄰隧道的施工工序以及本報告中所提到的實際工程，有些是沒有以往經(jīng)驗的，因此借助于數(shù)值計算方法，可以為工